О красном смещении и старении света

Размещено на http://www.allbest.ru/

О красном смещении и старении света

С. Семиков

Принято считать, что красное смещение в спектрах далёких галактик вызвано эффектом Доплера за счёт их разбегания, удаления от нас со скоростью пропорциональной расстоянию. Именно это утверждает закон Хаббла. Но не все учёные сочли такое объяснение обоснованным [1]. Так, наш признанный астрофизик А.А. Белопольский предложил в 1930 г. иное толкование красному смещению. Он допустил, что кроме эффекта Доплера есть и другой эффект изменения частоты - пропорциональный расстоянию до объекта. Именно им, а не доплер-эффектом, полагал Белопольский, и вызвано покраснение света галактик, которые тогда б не разбегались, а имели бы лишь сравнительно небольшие пекулярные (случайные) скорости. Эта концепция, названная гипотезой старения света, примечательна уже тем, что выдвинул её учёный, более других сделавший для обоснования эффекта Доплера в оптике.

Сам Белопольский так говорил об эффекте старения света: "Обыкновенно смещение спектральных линий рассматривается как следствие движения светила по лучу зрения. Но, вообще говоря, могут существовать и другие причины такого смещения, и мы можем рассматривать всякое смещение линий как следствие двух причин: 1) скорости движения (принцип Доплера) и 2) как следствие неизвестного фактора. Если обозначим общее смещение через Дл, то Дл= Д₁л+ Д₂л ... Отсюда получается общее выражение для смещения спектральных линий:

Дл= Д₁л+ f(r)Д₂л

где f(r) - пока неизвестная функция расстояния. Итак, расстояние источника оказывает какое-то влияние на световую волну, увеличивая её длину" [2, с. 271].

Однако физики отвергли такое объяснение, хотя бы ввиду того, что никто не знал природы этого чисто гипотетического эффекта. И сам Белопольский и другие ошибочно трактовали его как результат постепенной утраты фотонами, испущенными галактикой, их начальной энергии E=hн по мере движения [1, 2]. Именно поэтому концепция была названа гипотезой старения, усталости света. Её ошибочность проистекала уже из того факта, что у любой галактики величина красного смещения z = Дл/л не зависит от длины волны л, тогда как из концепции старения у фотонов разных энергий значения Дл/л должны отличаться.

Кроме того, старение фотонов затрагивало бы только частоту света, не влияя на видимую длительность процессов, в отличие от эффекта Доплера. Однако наблюдения показывают, что аналогично длине волны и периоду света в галактиках увеличена длительность всех процессов. К примеру, вспышки сверхновых определённого типа, длящиеся в среднем две недели, в далёких галактиках протекают заметно дольше. Причём степень продления пропорциональна величине красного смещения [3]. Всё это вкупе с неопределённостью причин, вызывающих "усталость" фотонов, заставило учёных отказаться от гипотезы старения света.

Однако, как выяснилось, предсказанный Белопольским недоплеров эффект изменения частоты был ещё в 1908 г. строго выведен другим учёным из совсем иных соображений. Речь идёт о швейцарском физике Вальтере Ритце, более известном как автор комбинационного принципа в спектроскопии. В 1908 г. Ритц построил электродинамику альтернативную максвелловской, отвергнув, подобно Эйнштейну, эфир и введя в оптику и электродинамику классический принцип относительности [4]. Согласно Ритцу, движущийся источник сообщает свою скорость испущенному им свету, подобно тому как движение орудия даёт прибавку к скорости выпущенного снаряда (рис. 1). За это концепцию назвали Баллистической Теорией Ритца (БТР). Но теорию Ритца отклонили, в основном за то, что он открыто отстаивал крайне непопулярную тогда (и общепринятую ныне) точку зрения об отсутствии эфира [5].

Предав забвенью теорию Ритца, физики забыли и об открытом им эффекте изменения частоты света от ускорения источника. Ведь, если скорость света c векторно слагается со скоростью источника, то при его ускоренном удалении она будет в каждый последующий момент чуть меньше, чем в предыдущий (рис. 2). Поэтому задние гребни световых волн будут всё больше отставать от передних - длина волны света будет нарастать по мере его движения, в точности как в законе Хаббла и гипотетическом эффекте Белопольского. Ритц вывел для этого эффекта следующую формулу:

t'/t = 1+ La/c²

По ней период t' между приходом двух импульсов или волн света отличается от периода t их испускания источником тем сильней, чем больше удалённость L и лучевое ускорение a источника света. Обычно La/c²<<1, и потому частота света н'= 1/t' ? н(1- La/c²). Видно, в этом эффекте Ритца и следует искать причину предсказанного Белопольским старения света галактик.

Как выяснилось, эффект Ритца не только качественно объясняет хабблов закон красного смещения н'= н(1- LH/c), но и очень точно воспроизводит его количественно, предсказывая верное значение постоянной Хаббла H. Поскольку все галактики вращаются, то звёзды в них обладают центростремительным ускорением

a=V²/R

где V- скорость звёзд в галактике, R - расстояние до её центра (рис. 3). И если покраснение галактик н'= н(1- LH/c) вызвано эффектом Ритца н'=н(1- La/c²), то H=a/c=V²/Rc. Характеристики разных галактик часто грубо приравнивают друг к другу, поскольку в среднем они не слишком разнятся. Поэтому примем ускорения в галактиках примерно теми же, что в нашей, где окружные скорости V и расстояния R известны. Так, у ядра нашей Галактики радиус R составляет 0,002 Мпк, а окружная скорость звёзд - 180 км/с [6, с. 91]. Подставив эти значения в формулу для постоянной Хаббла H= V²/Rc, получим её значение в 54 (км/с)/Мпк, близкое к известному 55 (км/с)/Мпк [6, с. 83]. Значения постоянной Хаббла для иных радиусов приведены в таблице 1. Все они того же порядка, что и принятая постоянная Хаббла и мало отличаются от допустимых её значений.

Истолкование красного смещения как следствия эффекта Ритца снимает все возражения против гипотезы Белопольского. Ведь, как и доплеров, ритц-эффект проявляется одинаково на всех длинах волн. Величина красного смещения Дл/л = Дt/t= La/c² не зависит от л. Увеличивая длину волны л, эффект наращивает и длительность t процессов. Так что и в гипотезе Ритца-Белопольского видимая длительность вспышек сверхновых будет в далёких галактиках увеличена, подобно периоду световых колебаний. Значит невозможно найти различий между проявлениями эффектов Ритца и Доплера. Не располагая данными о скорости или ускорении звезды, трудно угадать, какой из эффектов вызвал сдвиг её частоты.

Поясним теперь, почему смещение именно красное. Дело в том, что наиболее интенсивные спектральные линии созданы ближними к нам участками ядер галактик, где ускорения направлены к центру ядра, то есть от нас (a>0). Соответственно частота уменьшается в сравнении с реальной. Обратной стороны ядра, где ускорения направлены к нам (и смещение синее), мы в оптическом диапазоне увидеть не можем от непрозрачности ядер. Поскольку наибольший вклад в яркость галактик и интенсивные спектральные линии дают их ядра, величина красного смещения галактик не зависит от их наклона. Ведь, как бы ни была наклонена к нам галактика, в наиболее ярких - ближних к нам участках сферического ядра ускорение всегда направлено туда же, куда и сила тяготения - в центр этой сферы, то есть от нас.

Очевидно, в целом красное смещение галактик и закон Хаббла имеют не абсолютный, а лишь среднестатистический смысл. Во-первых, красное смещение каждой галактики - это лишь усреднённое значение по её ярким участкам. Во-вторых, размеры и вращение разных галактик, а тем более разных их типов несколько несхожи. Поэтому значение постоянной Хаббла H=V²/Rc равное 50-75 км/с - это лишь среднее и для разных галактик оно неодинаково. Не исключено, что именно в этом причина несовпадения значений H, найденных разными методами, по разным объектам. Ведь у разных типов галактик вращательные ускорения слегка разнятся. Тогда неточность в определении постоянной Хаббла вызвана не погрешностью методов, а имеет принципиальный характер, ибо нет одного общего её значения.

Если "покраснение" галактик действительно вызвано эффектом Ритца, а не Доплера, то решатся многие загадки и парадоксы красного смещения [1]. Взять, к примеру, квазары. Их огромные красные смещения ещё не говорят о сверхудалённости, но вызваны тем, что квазары, как показывают быстрые колебания их блеска, имеют малые размеры R и, видимо, большие скорости вращения V. Поэтому найденный для этого класса объектов параметр Хаббла H= V²/Rc будет очень велик. Соответственно, даже находясь сравнительно близко, квазары могут обладать огромным красным смещением. К ним закон Хаббла не применим, точнее, для данного класса объектов он должен иметь своё значение постоянной, а точнее параметра H. Так же решается и другая загадка, - когда два объекта, к примеру галактика и квазароподобный объект [1, 7], составляют физически связанную пару, хотя их красные смещения отличаются в несколько раз. По Хабблу это б означало их огромную разнесённость в пространстве и отсутствие какой-либо связи. Обнаружено немало таких парадоксальных пар [1].

С позиций БТР отсутствие разлёта галактик и правоту Белопольского доказывает также эффект звёздной аберрации. Напомним, это явление состоит в том, что за счёт движения Земли каждая звезда видится не в реальном своём положении S, а чуть смещена от него в S'. Кстати, Брэдли, открыв это явление, истолковал его именно на основе классического закона сложения скоростей в применении к свету как к потоку корпускул [8]. По этому закону скорость Земли V, векторно вычитаясь из скорости c луча света, испущенного звездой, отклонит его, изменив видимое положение звезды (рис. 4). Угол отклонения б=V/c. У всех звёзд этот угол аберрации одинаков, ибо одинаковы скорости c испущенного ими света. Но у галактик, удаляющихся от нас, как считают, с огромными скоростями, испускаемый свет должен по теории Ритца иметь заметно меньшую скорость c-v, где v - скорость удаления галактики.

красный смещение ритц физика

Соответственно аберрационный угол для таких галактик был бы заметно большим: б=V/(c-v) вместо б=V/c. Но реально угол б у галактик оказался тем же, что у звёзд [8, с. 120], откуда делают вывод об ошибочности теории Ритца, в пользу постоянства скорости света с и её независимости от движения источника. Но с тем же успехом этот результат можно истолковать как подтверждение теории Ритца, ведь если красное смещение вызвано эффектом Ритца, галактики не должны разбегаться (v=0). А значит, скорость испущенного ими света не отличается от c. То есть и по Ритцу аберрационный угол для галактик стандартен: б=V/c.

Большинство теоретических и экспериментальных проверок теории Ритца грешат именно тем, что, производя их, не рассматривают теорию Ритца в целом, а извлекают из неё лишь отдельные следствия, в остальном опираясь на выводы других теорий. Так было и в наблюдениях де Ситтера над двойными звёздами и во многих других. Поэтому часто отмечают, что теорию Ритца отклонили без достаточных экспериментальных оснований [5, 9, 10].

Такое отклонение выглядит тем более преждевременным, если учесть следующий из баллистической теории эффект Ритца, который может иметь для астрономии даже большее значение, чем доплеровский, став ответом на многие загадки космоса, включая обнаруженные в последние годы. Ведь эффект Ритца должен проявиться не только у галактик, но и у отдельных звёзд, движущихся с большим ускорением. Так, в случаях, когда эффект Ритца превосходит доплеровский, значение скорости звёзд, найденное по Доплеру, окажется завышенным. Это позволяет объяснить аномально большую скорость звёзд в некоторых скоплениях, что заставило учёных говорить о неверном определении массы и присутствии в скоплении огромной невидимой тёмной массы, сообщающей звёздам недостающую скорость. Но эффект Ритца позволяет допустить, что неверно определена не масса, а скорость звёзд.

Хотя в земных условиях сдвиг частоты от ритц-эффекта ничтожен в сравнении с доплеровскими сдвигами, его всё же удалось выявить для ускоренно движущегося источника гамма-лучей с помощью эффекта Мёссбауэра. Причём величина частотного смещения Дн/н в точности соответствовала формуле эффекта Ритца [8, с. 136]. А в космосе вызываемые эффектом Ритца изменения частоты и масштаба времени могут в тысячи раз превосходить доплеровские сдвиги, которые невелики из-за малой скорости звёзд в сравнении со световой. Ведь даже у звёзд, обладающих малыми ускорениями, эффект Ритца на астрономических расстояниях может стать столь велик, что приведёт к изменению частоты и длительности в разы. Он вполне может перевести оптическое излучение в радио- или, напротив, в рентгеновский и гамма-диапазоны. Это позволило бы многие источники радио-, X- и гамма-излучения трактовать как оптические, преображённые эффектом Ритца. А влияя на видимую длительность процессов, эффект Ритца способен заметно менять яркость источника (концентрацию света), сделав её даже бесконечно большой, если момент t' станет крайне мал. Тогда весь свет, испущенный за отрезок времени t, сконцентрируется в этом предельно кратком миге. Если же звезда имеет переменное лучевое ускорение, например, от движения по орбите в двойной системе, то её яркость и спектр будут периодически меняться, как у некоторых переменных звёзд, включая цефеиды [10]. Заметим, что ещё Белопольский именно с двойственностью цефеид связывал переменность их блеска и спектра [10, 11].

Итак, если справедливость БТР и эффекта Ритца-Белопольского подтвердится, это откроет перед оптикой и астрофизикой новые, небывалые возможности. Так что справедливость эффекта следует проверить со всей тщательностью, не отвергая его сходу, как это поначалу сделали и с эффектом Доплера [8]. В противном случае мы рискуем лишиться одного из мощнейших орудий познания космоса.

Литература

1. Мельников О.А., Попов В.С., Недоплеровские объяснения красного смещения в спектрах далёких галактик (в сборнике "Некоторые вопросы физики космоса", М., 1974).

2. Белопольский А.А. Астрономические труды. (см. www.luchemet.narod.ru)

3. Линевивер Ч., Дэвис Т. Парадоксы большого взрыва // В мире науки, 2005, №6, с.20.

4. W. Ritz. Recherches critiques sur l'йlectrodynamique gйnйrale // Ann. de Physique. 1908. 13.

5. Martinez A.A., Ritz, Einstein and emission theories // Physics in perspective, 2004, №6.

6. Справочник необходимых знаний. - М., 2002.

7. Ходж П. Галактики. - М.: Наука, 1992.

8. Франкфурт У.И., Френк А.М. "Оптика движущихся тел", М.: Наука, 1972.

9. Fox J.G. Evidence Against Emission Theories // American Journal of Physics, V. 33, №1, 1965.

10. Секерин В.И. Очерк о теории относительности. - Новосибирск, 1988.

11. Белопольский А.А. - пионер отечественной астрофизики// Вестник РАН.

Размещено на Allbest.ru